成果转化 | “理论-技术-产品”闭环创新——北京积水潭医院新型关节手术机器人突破核心技术

4月15日 ，在2023积水潭骨科新进展论坛上，北京积水潭医院与北京天智航医疗科技股份有限公司就“关节手术机器人产品技术成果转化”项目签署协议，总转化金额8140万。      

该项目始于2018年，在田伟院士指导下，由矫形骨科周一新、杨德金、邵宏翊、唐浩等医生团队参与研发，创新性地通过术前功能化影像与术中多模式智能感知技术相结合，建立基于关节解剖学-运动学-动力学整体重建理论的病人特异性手术目标值寻优及规划系统，并研制出高精度关节手术机器人硬件工具。该成果标志着国产关节手术机器人除了在执行精准性上达到国际先进水平之外，在髋膝运动学-动力学手术目标值寻优核心技术领域实现了国际领先。  

研发背景和经历

人工关节置换术是治疗终末期髋膝关节病最有效的方法，我国每年有超过100万患者接受该手术，但临床仍有8%~15%左右的不满意率。关节外科业界虽然在提升人工关节内植物质量方面付出了几十年的持续努力，但其收效目前已达瓶颈。近年来，国际上该领域研究热点逐渐转向了提升人工关节的植入技术，关节机器人由此应运而生。

为解决人工关节置换的精准化、个体化、功能化的临床需求，北京积水潭医院自2018年开始与天智航公司联合研发国产关节手术机器人。彼时，国际竞品虽能精准地执行医生经验性给定的手术目标，但都不具备根据患者关节个体化运动学与动力学特征来寻找最优手术目标的能力。本团队创新性地通过术前功能化影像与术中多模式智能感知技术相结合，建立了基于关节解剖学-运动学-动力学整体重建理论的病人特异性手术目标值寻优及手术规划系统，相关成果在骨科国际顶刊JBJS和CORR发表多篇论文，获批多项国家发明专利。

在联合研发的5年中，医工联合团队数十次开展实验室工装测试、模型骨测试和大体实验，成功研制出适用于全髋关节置换术和全膝关节置换术的新型关节手术机器人。

周一新主任使用新型关节手术机器人 2020年1月7日上午，周一新团队实施了国内首台自主研制的机器人辅助全髋关节置换术。该系列产品于2021年进入国家药监局创新医疗器械特别审查通道。2022年8月4日，全膝关节置换手术机器人完成超过百例的临床试验，结果显示该机器人可将传统徒手手术的术后关节力线偏移率降低95.1%。  

临床案例展示

图示一名股骨头坏死患者，股骨头变形，肢体短缩；   经机器人手术规划恢复至双下肢等长，术后影像结果与手术规划高度一致。  

产品核心优势

该机器人系统的实验室检测精度高达：角度偏差<1度，切骨精度<0.5mm。其精准程度远超人类手眼配合下的徒手手术精度，且有利于提升手术安全性。

除了高精度执行手术医生为病人制定的手术规划之外，该机器人系统还具备根据病人个体化运动学-动力学特征，确定最优化满足“解剖学-运动学-动力学”整体重建个体化需求的手术方案。通过建立一系列核心技术，该产品不仅解决了临床上经常出现的假体安置“发挥不稳定”的问题，还解决了临床上被忽视的假体安置“目标不适宜”的潜在问题。

核心技术展示

01、机器人精准执行手术规划

手术机器人通过机械臂引导控制，辅助医生精准截骨，执行手术计划，实现了假体和切骨面的完美贴合。  

02、膝关节软组织弹性感知技术和个体化手术规划技术

通过对关节间隙施加应力，收集在不同屈膝运动状态下间隙随张力变化的特征，得到患者个体化的软组织袖套弹性数据，建立了国际首创的基于软组织弹性量化分析的膝关节置换手术规划技术。

03、髋关节假体特异性安全区算法

通过采集病人多功能位的术前影像，拟合生活状态下无撞击的活动需求，确定患者特定的全髋置换假体安置安全区。该成果被骨科国际顶级刊物JBJS和CORR发表。  

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供稿丨矫形骨科 杨德金 编排丨于淼 校对丨于淼 张驰 陈梓凡 审核丨靳晓方